基于物联网的车载称重系统研究

袁伟明 王 韬

（江苏北斗水联网科技有限公司，江苏南京 210000）

1 绪论

交通运输行业是经济发展的重点，是经济发展的重要基础[1]，2020年交通运输业对江苏省GDP的贡献率约4%，根据2019年交通运输行业发展统计公报，载货汽车保有量逐年下降，比2018年下降19.8%，载重吨位逐年上涨，比2018年增长5.5%，大吨位的运输车辆已逐渐成为运输工具。超载对公路基础设施的损坏十分严重，根据测算一辆轴载为15 t的超限车在道路上行驶1次，对道路的作用相当于标准轴载10 t的汽车行驶5次，轴载24 t的货车在道路上行驶1次，对道路的作用相当于标准轴载10 t的货车行驶约30次[2]。车辆超载对道路基础设施的耐久性和服务年限的缩短有直接关系，是路政执法机构、道路养护单位应着重关注的问题。

2 车载智能动态称重基本原理

现阶段，应用较为广泛的称重技术利用重力作用，测货物的重力在垂直方向对车辆造成的应变，计算物体重量。通过安装在货车车轴上的应变传感获取车轴变形，建立货车各轴变形与车辆载重之间的模型，测得车载实时重量。假设车辆钢板弹簧或车桥的变化与承载量呈线性关系，通过检测应变传感器变化得到车辆的载重信息。利用物联网、互联网技术将传感器的信号传输至中心监控平台，在中心监控平台实现车辆跟踪、信息显示、数据统计等功能。

3 系统总体方案设计

3.1 系统总体框架

车载智能称重系统由硬件和软件两个部分组成。

硬件部分采用应变传感器与倾角传感器对车辆载重进行采集；采用嵌入式处理器对采集数据进行处理，利用GNSS技术对车辆位置进行实时监控，通过无线通信技术将车辆信息传至监控平台。

软件设计部分包括车载控制系统（车载端）、远程监控系统（客户端）、App或小程序（移动端），主要功能模块为载重监控、位置监控、异常预警、数据分析等。

3.2 系统层次结构

车载智能称重系统层次包括硬件设备层、系统驱动层、操作层和应用程序层。

硬件设备层以数据处理器为中心，包含应变传感器与倾角传感器等采集设备、GNSS定位设备、5G/4G/3G数据传输设备等。

系统驱动层包含数据采集通道的串口、数据存储设备的驱动、显示器驱动等。

操作系统层包含车载端系统、PC客户端系统、移动端系统，车载端系统为μC/OS-Ⅱ，PC客户端系统以Windows 10为主，移动端系统为Android和iOS系统。

应用程序层以硬件设备层、系统驱动层、操作系统层为基础，是车载智能称重系统功能表现的窗口，主要包括载重监控、位置监控、异常预警以及数据分析等应用程序的开发。

车载系统结构如图1所示。

图1 车载称重系统结构

4 车载动态称重算法研究

4.1 车辆静态载荷测量算法

汽车受到载荷作用时，车桥变形，在此过程中，车桥可等效于简支梁模型。

假设车辆载重为W，后三轴分别承担重量W/3，即按三轴均载假设P=W/6。l1区间相应弯矩M为：

抗弯模量、应力、应变分别为：

普通6轴货车在集中力的作用下悬臂梁受力模型如图2所示。

图2 车载称重计算简图

4.2 车辆动态载荷测量算法

本文的研究对象是某型号的6轴汽车，通过力学分析可知车辆载货的重力等于车辆所有轴的支反力之和。将应变传感器通过焊接、超强磁铁、黏结等方式固定在车轴位置上，采集车轴的变形信息，建立车辆荷载与车轴变形之间的关系模型，最终实现车辆动态载荷的测量。

汽车计算模型如图3所示。

图3 汽车计算模型

汽车可以简化为以A、B两点为支撑的简支梁，C点是车辆的应力测试点，F点是车辆重力的集中点，设简支点A到车辆荷载集中点C的长度为a，简支点B到车辆荷载集中点F的长度为x。设A、B点的支反力为F1、F2，根据力矩平衡的条件可得方程组：

由此可得到A、B两点的支反力为：

C处的弯矩和应力为：

式中：w——车轴的抗弯截面系数（mm3）；F——车辆重量（N）；L——简化模型两支点间的长度（mm）。

车辆的应力只与重力有关，车辆传感器测量点位置如图4所示。

图4 车辆传感器测量点位置

车辆实际在上道路行驶时并不是在水平方向，有一定的坡度。假设车辆在坡度角为α的道路上行驶，车辆动态运行状态如图5所示。

图5 车辆动态运行状态

由图5可得力学方程：

式中：F1、F2、F3、F4——垂直方向的载荷（N）；α——道路坡度；G——车辆静止情况下的总荷载（N）。

假设汽车第三轴的载荷为F31、F32，第四轴的载荷为F4，第五轴的载荷为F5，第六轴的载荷为F6，利用传感器测量每个车轴的重力分量，最终得到车辆荷载与车轴变形之间的关系模型：

式中：k1、k2、k3、k4、k5——各个车轴传感器重力分量的权值；A、B、C、D、E——传感器采集的载重数据值。

5 结语

本文以车载称重系统功能为出发点，对数据采集、存储到最终应用的全过程进行分析，提出系统开发的原理，并制定软硬件的总体设计方案。通过利用车辆荷载与车轴形变之间的关系建立车载称重模型，实现车辆动态载荷的测量。